鎖模光纖激光器原理

激光腔的邊界條件決定了激光以一系列分立的諧振模式穩(wěn)定存在于腔中。依據(jù)光的傳播方向，這些模式可分成縱模和橫模。僅考慮單個(gè)橫模的情況下，如果諸多縱模間的相位關(guān)系被鎖定（即鎖模），則可以在時(shí)域上得到超短的相干脈沖光，如圖1所示[1]。鎖模激光器能夠產(chǎn)生時(shí)域上超短的光脈沖，并具有高的峰值功率及頻域上很寬的光譜，因此它在科學(xué)與工程領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

圖1 激光腔中鎖模構(gòu)成時(shí)域上的超短脈沖[1]

如果鎖模激光器的增益介質(zhì)為光纖，則稱之為鎖模光纖激光器。光纖激光器具有光束質(zhì)量好、散熱性好、性能可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的研究。連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)（脈寬在納秒或以上）光纖激光器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái)，鎖模光纖激光器的研究發(fā)展迅猛，其產(chǎn)生的超短脈沖所能達(dá)到的強(qiáng)度記錄不斷被刷新，其性能已接近或達(dá)到固體激光器的水平，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年有望在應(yīng)用上有較大的突破。

鎖模光纖激光器類型

鎖模光纖激光器有很多形態(tài)，以下按照不同的角度嘗試對(duì)鎖模光纖激光器進(jìn)行分類。

鎖模方式

根據(jù)鎖模方式的不同，可分為主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模兩類。主動(dòng)鎖模主要指激光腔中具有主動(dòng)調(diào)制器件，利用外部手段對(duì)光進(jìn)行周期性調(diào)制，從而達(dá)到鎖模。主動(dòng)鎖模光纖激光器可用于掃頻等用途。由于主動(dòng)鎖模需要在腔內(nèi)引入外部調(diào)制元件，和被動(dòng)鎖模相比結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，輸出脈寬也通常較寬。被動(dòng)鎖模是指利用無(wú)源器件的可飽和吸收特性對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制獲得脈沖，具體在下文進(jìn)行介紹。

可飽和吸收體類型

可飽和吸收體（saturable absorber，SA），是指其吸收或損耗隨輸入光強(qiáng)變化而變化，光強(qiáng)高的部分損耗小，光強(qiáng)低的部分損耗大，從而達(dá)到壓縮脈沖、消除噪聲脈沖的目的，如圖2所示[2]?？娠柡臀阵w對(duì)在腔中循環(huán)的激光作用多次，從而得到穩(wěn)定的脈沖串輸出，實(shí)現(xiàn)鎖模。

圖2可飽和吸收體實(shí)現(xiàn)鎖模及穩(wěn)定脈沖的機(jī)理示意圖[2] （左）可飽和吸收體透過(guò)率隨輸入光強(qiáng)的變化曲線；（右）可飽和吸收體（SA）對(duì)輸入噪聲的作用（時(shí)域）。

可飽和吸收體又可分為自然可飽和吸收體（通常為具有可飽和吸收特性的材料構(gòu)成）和等效可飽和吸收體兩種。其中前者有常用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)，以及基于碳納米管、石墨烯、二維材料等新型可飽和吸收體。例如，北京大學(xué)張志剛教授與中科院半導(dǎo)體研究所馬驍宇研究員合作，研制出用于光纖激光器鎖模及微片激光器調(diào)Q的高調(diào)制深度SESAM（調(diào)制深度12%），和用于固體激光器鎖模的低調(diào)制深度SESAM（調(diào)制深度1%）。

等效可飽和吸收體通常由多個(gè)光學(xué)器件、效應(yīng)共同實(shí)現(xiàn)可飽和吸收效應(yīng)，包括非線性偏振旋轉(zhuǎn)（NPR）、非線性環(huán)形鏡（NOLM）、非線性放大環(huán)形鏡（NALM）、非線性多模干涉、Mamyshev再生器等。

脈沖演化機(jī)理

根據(jù)腔內(nèi)脈沖在不同色散條件下的演化機(jī)理，可以將鎖模光纖激光器大致分為孤子光纖激光器、展寬脈沖（又稱色散管理）光纖激光器、自相似光纖激光器以及耗散孤子（包括全正色散）光纖激光器，如圖3所示[2]。

近年來(lái)，基于Mamyshev再生器鎖模的Mamyshev振蕩器引起人們的廣泛關(guān)注，它的演化方式與上述都不太相同。Mamyshev振蕩器包含幾乎完全相同的兩部分，在每一部分都形成拋物線形脈沖，它在放大過(guò)程中的自相似演化使得脈沖可承受高的非線性效應(yīng)而不分裂；腔內(nèi)的Mamyshev再生器經(jīng)多次循環(huán)后構(gòu)成了具有階躍式透過(guò)率曲線的可飽和吸收器件。

這些特性使得Mamyshev 鎖模光纖激光器能夠輸出高能量的脈沖，在單模光纖激光器中實(shí)現(xiàn)了壓縮后達(dá)兆瓦峰值功率的輸出[3]。天津大學(xué)的胡明列教授課題組進(jìn)一步采用大模場(chǎng)光子晶體光纖構(gòu)建Mamyshev振蕩器，實(shí)現(xiàn)了壓縮后峰值功率約為13 MW的超短脈沖輸出[4]。

圖3 不同鎖模光纖激光器內(nèi)的脈沖演化示意圖（右側(cè)所注為不發(fā)生光波分裂的前提下可承受的最大累積非線性相移）[2]，ФNL：非線性相移。

工作波長(zhǎng)

鎖模光纖激光器以增益介質(zhì)分類，又有摻釹（Nd3+）、鉺（Er3+）、鐿（Yb3+）、銩（Tm3+）、鐠（Pr3+）等各種離子的增益光纖，它們對(duì)應(yīng)于不同的工作波長(zhǎng)，通常分別在1064 nm、1550 nm、1030 nm、2000 nm、635 nm波段等。

腔的結(jié)構(gòu)

根據(jù)腔的結(jié)構(gòu)，可以分為環(huán)形腔、線性腔（F-P腔）等。有的腔的形狀像阿拉伯?dāng)?shù)字8或9，又稱為8字腔、9字腔等。圖4是一個(gè)典型的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的摻鉺光纖激光器[5]，鎖模器件是集成在光纖連接器端面的單壁碳納米管，工作波段是1550 nm。光纖在這個(gè)波段為反常色散（群速度色散β2為負(fù)值），因此該激光是孤子激光器，腔內(nèi)不需要進(jìn)行色散補(bǔ)償。腔中的濾波器是為了精細(xì)控制輸出波長(zhǎng)，否則也可以不使用濾波器。

值得注意的是，光在光纖中傳輸它的偏振態(tài)容易受環(huán)境干擾，因此鎖模光纖激光器通常需要妥善固定光纖，或者采用全保偏光纖結(jié)構(gòu)。

圖4碳納米管鎖模摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖[5]

時(shí)空鎖模多模光纖激光器

鎖模光纖激光技術(shù)另一個(gè)值得關(guān)注的進(jìn)展是2017年提出并實(shí)現(xiàn)的基于多模光纖的時(shí)空鎖模激光器，該激光腔同時(shí)鎖定腔內(nèi)眾多橫模與縱模[6]。通過(guò)激發(fā)并鎖定多個(gè)橫模，Wright等人實(shí)驗(yàn)獲得了能量為150 nJ、脈寬150 fs的輸出，對(duì)應(yīng)于10 W的平均輸出功率以及1 MW的峰值功率。他們還指出，利用更大芯徑的光纖有望將脈沖能量再提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。

鎖模光纖激光器市場(chǎng)有待進(jìn)一步開拓

鎖模光纖激光器具有良好的工作穩(wěn)定性、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，而且受益于光纖通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光纖相關(guān)器件通常價(jià)格較為便宜。因此鎖模光纖激光器在高速光纖通信、微機(jī)械加工、生物醫(yī)學(xué)、精密計(jì)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[7]。

此外，傳統(tǒng)固體激光器受限于熱光效應(yīng)，其平均功率和重復(fù)頻率通常難以提升。而光纖表面與體積的比例很大，具有出色的散熱性能。因此高重頻的鎖模光纖激光器在一些特定的應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢(shì)，例如通過(guò)激光的高次諧波獲得極紫外輻射，機(jī)械加工中提高生產(chǎn)效率等[8]。

鎖模光纖激光器發(fā)展到如今，能夠提供鎖模光纖激光器產(chǎn)品的公司有很多，國(guó)外的包括Topica、Pritel、Calmar、Menlo等公司，國(guó)內(nèi)也有眾多公司。盡管目前鎖模光纖激光器的市場(chǎng)相比準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器而言并不大，但是筆者相信未來(lái)幾年鎖模光纖激光器會(huì)被更多地應(yīng)用，其市場(chǎng)將會(huì)有極大的增長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1] Rick Trebino教授教案, www.frog.gatech.edu

[2] F. W. Wise, A. Chong,W. H. Renninger. High-energy femtosecond fiber lasers based on pulse propagation at normal dispersion. Laser & Photonics Reviews, Apr. 2008, 2(1-2):58-73.

[3] Z. Liu et al. Megawatt peak power from a Mamyshev oscillator, Optica, 2017, 4(6): 649.

[4] J. Cui, Y. Song, C. Wang, and M. Hu, Femtosecond Mamyshev oscillator with 10-MW-level peak power, Optica, 2019, 6(2): 194-197.

[5] F. Wang, A. G. Rozhin, V. Scardaci, Z. Sun, F. Hennrich, I. H. White, W. I. Milne, and A. C. Ferrari, Wideband-tuneable, nanotube mode-locked fibre laser. Nature Nanotechnology, 2008, 3:738-742

[6] L. G. Wright, D. N. Christodoulides, F. W. Wise. Spatiotemporal mode-locking in multimode fiber lasers. Science, 2017, 358(6359): 94-97.

[7] 祝寧華，閆連山，劉建國(guó)　主編，光纖光學(xué)前沿，第六章 光纖光源?？茖W(xué)出版社，2011.

[8] 余霞，羅佳琪，肖曉晟，王攀，高功率超快光纖激光器研究進(jìn)展，中國(guó)激光，46（5）：0508007，2019.

作者簡(jiǎn)介

肖曉晟，副教授，北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要從事鎖模光纖激光器、光纖通信等方面的研究